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La simulation informatique à l’œuvre pour l’avenir de la fusion nucléaire

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« Un soleil à nous et c’est fabriqué en Grande-Bretagne ! », titrait le titre. L’Autorité britannique de l’énergie atomique (UKAEA) pensait que son réacteur expérimental de 120 tonnes, Zeta, générait presque certainement des neutrons à partir de la fusion, la réaction nucléaire qui alimente le soleil.

Il a affirmé qu’il pourrait bientôt commencer à produire de l’électricité en toute sécurité et à moindre coût à partir de deutérium extrait de l’eau de mer, produisant la chaleur de 10 tonnes de charbon pour un coût de seulement deux shillings. « Dans 20 ans, avec un peu de chance, Zeta annoncera le début d’un millénaire social pour l’humanité », a déclaré le Croquis quotidien – le 25 janvier 1958.

La chance de l’humanité n’était pas là. Zeta ne générait pas la réaction espérée et, malgré de nombreux progrès de la recherche, l’avènement de la fusion – par opposition à la fission utilisée dans les centrales nucléaires et les armes existantes – en tant que source d’énergie commercialement viable est resté deux ou trois décennies dans le futur depuis. Mais il y a des raisons d’espérer qu’il se rapproche, l’informatique jouant un rôle essentiel.

La fusion fonctionne – mais pas encore assez bien. En décembre 2021, le Joint European Torus (Jet), géré par UKAEA à Culham dans l’Oxfordshire depuis 1983 pour le compte d’un groupe de pays européens, a généré 11 MW (mégawatts) d’électricité à partir d’une réaction de fusion, soit deux fois plus que son propre record mondial de 1997. Au cœur de Jet se trouve un tokamak, une chambre à vide en forme de beignet où la chaleur et la pression extrêmes transforment l’hydrogène en plasma, ce qui peut déclencher une réaction de fusion qui rejette la chaleur.

La course record de Jet a nécessité plus d’énergie pour déclencher la réaction qu’elle n’en a produite, mais elle a été conçue pour l’expérimentation et la collecte de données, où le rôle de l’informatique a considérablement augmenté au cours de ses quatre décennies d’exploitation. Rob Akers, responsable de l’informatique avancée à UKAEA, le compare aux deux sondes Voyager lancées par la NASA en 1977, qui, après de nombreuses rencontres rapprochées avec des planètes dans les années 1970 et 1980, renvoient toujours des données depuis l’espace interstellaire.

En décembre 2021, le Joint European Torus (Jet) a généré 11 MW d’électricité à partir d’une réaction de fusion

« Peu importe que l’instrument ne soit pas brillant et neuf, il produit toujours des données qui ont une valeur énorme et unique », explique Akers. « Les techniques modernes de science des données nous permettent d’extraire plus de valeur que nous n’aurions pu le faire il y a 10, 20 ou 30 ans. »

Les expériences récentes de Jet soutiennent le travail de conception d’Iter, un tokamak expérimental beaucoup plus grand en construction dans le sud de la France. Financé par 35 pays, Iter vise à être le premier dispositif de fusion à générer plus d’énergie qu’il n’en utilise, avec des opérations échelonnées de 2025 à 2035. Le gouvernement britannique est un partenaire d’Iter, mais finance également UKAEA pour développer et construire Step, un prototype de centrale à fusion tokamak dont l’ouverture est prévue d’ici 2040 sur le site de la centrale à charbon de West Burton dans le Nottinghamshire, qui sera bientôt fermée.

L’informatique est au cœur de ces efforts. « Nous ne pouvons pas fournir de fusion commerciale sans informatique », déclare Akers.

Dans les premiers jours de la fusion, des expériences physiques à petite échelle ont aidé à établir comment cela pourrait fonctionner, mais la voie vers la viabilité a impliqué un processus de conception basé sur des tests, construisant une série de réacteurs tokamak de plus en plus grands.

« Nous ne pouvons pas continuer à en construire beaucoup et à voir ce qui fonctionne », explique Akers. « La seule façon de progresser maintenant est d’énormes quantités de simulation utilisant des superordinateurs modernes et d’énormes quantités de science des données. »

Au cœur de Jet se trouve un tokamak, une chambre à vide en forme de beignet où la chaleur et la pression extrêmes transforment l’hydrogène en plasma, ce qui peut déclencher une réaction de fusion qui rejette la chaleur

Cela inclut le développement de ce que l’on appelle les jumeaux numériques des systèmes de fusion, ainsi que l’utilisation de l’intelligence artificielle et du traitement du langage naturel, par exemple pour extraire des données et des informations précieuses issues de décennies de recherche menées dans des référentiels de mégadonnées et des formats textuels tels que des articles de revues.

Les simulations ont un certain nombre d’applications. En science des plasmas et des matériaux, les essais d’ensemble – simulant les mêmes processus plusieurs fois avec des variables différentes – peuvent être utilisés pour la qualification de l’incertitude qui met en évidence la précision des prédictions sur le comportement d’un réacteur, aidant à décider quels prototypes physiques construire. Cela peut aider à déterminer comment prolonger la durée de vie de l’acier utilisé dans un réacteur de fusion afin qu’il dure des décennies, ce qui est essentiel pour rendre la fusion économiquement viable.

Pour la physique des plasmas, la simulation peut aider à améliorer les performances, par exemple en gérant la turbulence, ce qu’Akers décrit comme « un problème exascale » nécessitant les supercalculateurs les plus rapides capables d’effectuer un quintillion (10 à la puissance de 18) opérations une seconde pour traiter les calculs requis.

Les simulations devraient également aider à la conception globale de ce qui équivaut à des pièces d’ingénierie extrêmement complexes qui doivent faire face à des rayonnements et des champs électromagnétiques ainsi qu’à d’énormes forces structurelles.

« À l’heure actuelle, il y a aussi trop d’êtres humains dans la boucle – l’automatisation dans la conception technique est un besoin urgent de conformité et de répétabilité. »

Rob Akers, UKAEA

« Si vous modifiez une petite partie de la conception, un sous-système, cela peut avoir des répercussions », explique Akers. « En effet, la gestion de la complexité de la conception est en soi un défi informatique qui n’a jamais été relevé à l’échelle nécessaire pour concevoir une centrale à fusion. »

Des travaux doivent être faits pour démocratiser cet effort, en facilitant l’exécution de simulations par les ingénieurs sur des supercalculateurs, dit-il, ajoutant : « À l’heure actuelle, il y a aussi trop d’êtres humains dans la boucle – l’automatisation dans la conception technique est un besoin urgent de conformité et de répétabilité. »

Ils peuvent également soutenir le travail opérationnel dans les environnements nucléaires, à la fois la fusion et la fission. Remote Applications in Challenging Environments (Race) de l’UKAEA, qui a ouvert ses portes sur le site de Culham en 2014, a construit un système de manutention à distance avec retour haptique pour les flèches de 12 mètres équipées de caméras et d’outils dans la chambre à vide de Jet. Cela permet aux opérateurs d’effectuer des répétitions, puis de voir ce qu’ils font à partir de points de vue générés virtuellement pendant les opérations réelles, avec l’utilisation de l’Unreal Engine d’Epic Games, un logiciel graphique 3D conçu initialement pour les jeux.

Race héberge une installation d’essais robotiques pour Iter et soutient le démantèlement de Fukushima au Japon, une centrale nucléaire qui a laissé échapper des radiations sur une vaste zone après avoir été inondée par un tsunami en 2011, ainsi que sur le site nucléaire de Sellafield dans le Cumbria.

Matthew Goodliffe, ingénieur en système de contrôle, explique que les simulations signifiaient que ceux qui travaillaient sur Jet s’attendaient à ce qu’il batte son record. « Ils l’avaient tellement modélisé qu’ils savaient essentiellement qu’il allait le faire », dit-il. « Cela vous donne une telle confiance que nous allons dans la bonne direction. »

Modèle open source

Pour soutenir son travail, UKAEA utilise certains des plus grands supercalculateurs au monde administrés par d’autres organisations telles que les conseils de recherche du Royaume-Uni, ainsi que le service cloud Azure de Microsoft et ses propres clusters sur site. Bien qu’il utilise des logiciels commerciaux, la plupart de ses outils logiciels sont open source, avec des langages de programmation tels que Python et C ++ omniprésents.

Akers affirme que la collaboration sur le développement de logiciels est le seul moyen de faire face à l’échelle croissante des données issues du travail de fusion, Iter devant générer autant de données par jour que Jet en a produit en 40 ans. « C’est effectivement le modèle Linux, c’est ainsi que la science est faite – nous tirons parti d’une armée de contributeurs dans le monde entier », ajoute-t-il.

Écrans de données de la 100 000e impulsion

Cela inclut les compagnies d’électricité, EDF gérant sa propre « pile de simulation » de logiciels fournis de la même manière que l’open source pour encourager son utilisation et son développement. Les choses peuvent changer à mesure que la technologie de fusion est commercialisée et que la propriété intellectuelle devient de plus en plus importante, mais Akers ajoute: « Il reste encore suffisamment de travail à faire pour que nous soyons open source pendant un certain temps encore. Nous devons l’être.

First Light Fusion, une société issue de l’Université d’Oxford, développe l’utilisation de projectiles tirés à une vitesse immense pour atteindre des cibles soigneusement conçues afin de produire l’immense chaleur nécessaire aux réactions de fusion.

La société adopte également une approche informatique différente de celle de l’UKAEA, avec son matériel, y compris un Dell haute performance récemment acquis avec 10 368 cœurs, sur site et hors ligne pour protéger la propriété intellectuelle du travail, y compris ses conceptions cibles. Et bien qu’il utilise l’open source, y compris la bibliothèque OpenVDB développée par le studio de cinéma DreamWorks pour animer l’eau et les nuages, First Light a écrit sur mesure quelque 400 000 lignes de code.

Nathan Joiner, responsable de la physique numérique chez First Light Fusion, décrit l’informatique comme « absolument critique » à son travail. « Cela sous-tend l’objectif actuel de l’entreprise et fera également partie de l’activité principale », dit-il.

Son utilisation est évidente compte tenu de l’ampleur de l’équipement de First Light pour les expériences physiques. Sa base sur un parc industriel à quelques kilomètres au nord d’Oxford abrite le Big Friendly Gun, un lanceur tubulaire de 1,1 million de livres sterling et 22 m de long qui peut accélérer un projectile de 38 mm de diamètre à 6,5 km par seconde (14 500 mph). En novembre 2021, cela a été utilisé avec succès pour générer une petite réaction de fusion, un résultat validé plus tard par UKAEA.

Le Big Friendly Gun de First Light Fusion peut accélérer un projectile de 38 mm de diamètre à 14 500 mph

À proximité, une enceinte de 16 mètres sur 16 mètres abrite Machine 3, un réseau hexagonal de 192 condensateurs de 3,6 millions de livres sterling et 40 tonnes qui canalise des impulsions de puissance d’une durée de quelques microsecondes dans une chambre à vide centrale. Cela accélère électromagnétiquement un projectile vers une cible proche à des vitesses allant jusqu’à 20 km par seconde (45 000 mph).

Aussi vitale soit-elle, l’utilisation d’un tel équipement est coûteuse et prend beaucoup de temps, la machine 3 ne pouvant effectuer un test que tous les deux jours étant donné la nécessité de nettoyer, de vérifier les composants et de rétablir le vide. Joiner ajoute qu’il y a des limites à l’information qui peut être recueillie à partir d’événements de haute énergie qui, dans certains cas, se produisent en nanosecondes sur des nanomètres. Pour chaque expérience physique, First Light peut réaliser jusqu’à 10 000 ou 20 000 expériences virtuelles.

« Les modèles de simulation vous permettent de sonder et de comprendre beaucoup plus en profondeur ce qui se passe dans ces systèmes », explique Joiner, bien qu’un travail physique soit nécessaire pour les valider.

La machine 3 de First Light Fusion est un réseau hexagonal de 40 tonnes de 192 condensateurs qui canalisent des impulsions de puissance d’une durée de quelques microsecondes dans une chambre à vide centrale pour accélérer électromagnétiquement un projectile à des vitesses allant jusqu’à 45 000 mph

L’entreprise effectue un travail de vérification approfondi sur son logiciel de simulation, avec des tests pour vérifier l’impact des changements de code, afin de s’assurer que les mêmes réponses sortent indépendamment du matériel utilisé et de l’utilisation de la « méthode des solutions fabriquées » où elle sait quels résultats un ensemble de paramètres devrait produire.

« Les tests, la mise en place des tests et leur fonctionnement prennent probablement la majorité de notre temps, par rapport à la mise en œuvre et au développement réels de l’algorithme », explique Joiner.

First Light utilise deux codes de simulation distincts. Le premier, Hytrac, fonctionne en deux dimensions et se concentre sur les interfaces matériaux pour tester les conceptions de cibles. Le second, B2, fonctionne en trois dimensions et a été développé à l’origine pour modéliser des projectiles lancés électromagnétiquement, mais a également été reconstruit pour modéliser des cibles.

« Il est utile que nous puissions obtenir un deuxième avis du code interne », explique Joiner, en particulier pour les cas inhabituels. Si les deux codes produisent des résultats différents, cela peut indiquer un problème, mais s’ils sont d’accord, « c’est un énorme tick de confiance ».

Alors, combien de temps encore le monde doit-il attendre? En août 2021, le National Ignition Facility des États-Unis au Lawrence Livermore National Laboratory en Californie a concentré des lasers sur une petite cible, générant de l’énergie de fusion à des niveaux suffisamment proches de « l’inflammation », le point auquel une réaction de fusion nucléaire devient auto-entretenue. Joiner dit que bien que First Light utilise des projectiles et non des lasers, il fonctionne dans le même sens: « Nous avons vu cela comme une preuve de concept. »

Akers de UKAEA dit qu’il espère que la fusion fournira de l’énergie commercialement dans les années 2050, avec la hausse des prix de l’énergie et un accent croissant sur la décarbonisation conduisant à plus de financement. « Si nous investissons correctement, nous avons une bonne chance d’y parvenir », dit-il. « On a parfois dit que la fusion sera prête quand elle sera nécessaire. »

« Si nous investissons correctement, nous avons une bonne chance de [providing energy commercially in the 2050s]. On a parfois dit que la fusion sera prête quand elle sera nécessaire.

Rob Akers, UKAEA

En plus de soutenir les travaux de développement de tokamaks et d’autres technologies telles que les projectiles et les lasers, l’informatique peut insuffler une nouvelle vie à des techniques qui ont été essayées mais pas complètement explorées il y a des décennies. Dans le même temps, les technologies numériques requises, y compris la simulation technique, profiteront à d’autres industries, y compris celles qui contribuent également à l’objectif mondial d’enrayer la hausse des gaz à effet de serre atmosphériques.

« La fusion est une entreprise à haut risque mais extrêmement rentable. Je pense qu’en tant qu’espèce, nous avons en quelque sorte perdu notre ambition de faire les grandes choses », explique Akers, comme les photos de la lune des années 1960.

La vie moderne dépend d’une énergie abondante, fiable et bon marché, et beaucoup considèrent que la réduction des émissions de gaz à effet de serre empêche les gens de mener la vie à laquelle ils sont habitués. Au lieu de cela, dit-il, les gens devraient se tourner vers la technologie pour aider à créer un monde plus propre et plus vert et stimuler la croissance économique : « C’est là que l’informatique est absolument essentielle, car en fin de compte, la neutralité carbone est un problème de « système de systèmes » qui ne peut être livré qu’en utilisant la science des données et le supercalcul du 21e siècle. »

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